徐俊仕，江建東，劉斯飛，劉浩

（駐320廠軍事代表室，江西南昌330024）

某型飛機胎壓自動卸載問題分析及解決方案

徐俊仕，江建東，劉斯飛，劉浩

（駐320廠軍事代表室，江西南昌330024）

針對某型飛機胎壓自動卸載的問題，對機輪和熱熔塞結(jié)構(gòu)原理進行研究，分析并建立機輪熱設(shè)計流程圖和胎壓自動卸載故障樹，確定導(dǎo)致問題發(fā)生的根本原因并逐一進行計算分析，結(jié)合試驗飛行故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，給出問題結(jié)論以及解決措施，可為該型飛機后續(xù)的試驗使用提供參考。

飛機剎車系統(tǒng)；自動卸載；故障分析

0 引言

飛機的剎車系統(tǒng)是保證飛機正?；?、起降的重要系統(tǒng)，也是飛機戰(zhàn)斗力生成的基礎(chǔ)系統(tǒng)。隨著航空工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，剎車系統(tǒng)已經(jīng)由傳統(tǒng)的囊式剎車發(fā)展到效率更高的盤式剎車，在實現(xiàn)飛機動能向剎車系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)化過程中，為保證系統(tǒng)不失效的安全底線，盤式剎車對系統(tǒng)溫控要求也須更高。因此，在剎車裝置結(jié)構(gòu)和材料上做到溫度調(diào)節(jié)的同時，還要建立自保功能設(shè)置，防止溫度過高造成的爆胎、損傷機件等問題的發(fā)生。

某型飛機剎車系統(tǒng)由盤式剎車機輪LS-147C、無內(nèi)胎輪胎和電子防滑剎車系統(tǒng)LSX33C組成，供飛機起飛、著陸滑跑及其他模式下剎車制動用。該型飛機在一次試驗飛行過程中，連續(xù)滑行后出現(xiàn)右主起落架機輪胎壓自動卸載現(xiàn)象，經(jīng)分解拆裝后發(fā)現(xiàn)，右機輪剎車裝置因兩個活塞未完全回位，導(dǎo)致動、靜剎車盤不能完全分開，致使機輪剎車盤摩擦增大，機輪溫度過高，引起胎壓自動卸載。

1 機輪結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機輪機構(gòu)及工作原理

LS-147C盤式剎車機輪由機輪和剎車裝置兩大部分組成見圖1。機輪由輪轂、輪緣、半卡環(huán)、軸承、密封圈、蓋板組件、調(diào)隙襯套、熱熔塞等零組件組成；剎車裝置由缸體組件、指示桿、隔熱組件、液壓活塞組件、氣壓活塞組件、承壓盤、靜盤、壓緊盤、動盤組件、放氣閥組件和剎車殼體等零組件組成。

當(dāng)飛機在地面滑跑時，機輪轉(zhuǎn)動并帶動剎車裝置中的動盤一起轉(zhuǎn)動，而壓緊盤、靜盤、承壓盤靜止不動。飛機著陸剎車或地面滑行剎車時，液壓油輸入液壓活塞腔，使活塞向外移動，推動隔熱組件、壓緊盤、靜盤、承壓盤壓緊隨機輪一起轉(zhuǎn)動的動盤組件，動盤組件和壓緊盤、靜盤、承壓盤之間相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生制動摩擦力，從而剎停飛機。

圖1 LS-147C機輪結(jié)構(gòu)

剎車過程中，飛機動能和發(fā)動機推力產(chǎn)生的動能，通過剎車盤的制動摩擦轉(zhuǎn)化為熱量，一部分熱量由熱庫吸收，一部分熱量擴散到熱庫周圍空氣中或相關(guān)零件。熱庫包括壓緊盤、靜盤、承壓盤和動盤組件等。飛機總能量和熱庫重量決定了剎車溫度，熱庫重量一定時，飛機總能量越大，剎車溫度越高。

1.2 熱熔塞作用及原理

現(xiàn)代飛機輪胎都是由橡膠制造的，當(dāng)胎腳溫度過高時，輪胎將發(fā)生爆破。為了避免輪胎發(fā)生爆破，在機輪安全設(shè)計時，根據(jù)國內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1184A-2010《航空機輪和剎車裝置通用規(guī)范》要求，無內(nèi)胎剎車機輪應(yīng)安裝熱熔塞，用以防止在中止起飛或剎車能量過大時，輪胎胎腳溫度過高引起爆破，是保證飛機安全的必要措施。

熱熔塞屬于熱敏感壓力釋放裝置，由金屬殼體和低熔合金材料組成，通常裝在機輪輪轂轂緣壁上（如圖2）。低熔合金一般應(yīng)為共晶體合金材料，其溫度特性是由固相轉(zhuǎn)變到液相有一個急劇狀態(tài)變化，當(dāng)溫度達到合金熔點溫度時，能突然變?yōu)橐簯B(tài)。剎車過程中和結(jié)束后，剎車溫度在一段時間內(nèi)傳遞至轂緣壁和熱熔塞，當(dāng)輪轂上輪胎胎腳溫度接近輪胎爆破臨界溫度時，熱熔塞處溫度也達到低熔合金材料的熔點，其內(nèi)部的低熔合金材料熔化使輪胎內(nèi)腔與大氣相通，從而釋放輪胎內(nèi)的充氣壓力，避免輪胎爆胎。

圖2 熱熔塞安裝示意

1.3 機輪熱設(shè)計流程

依據(jù)《航空機輪設(shè)計指南》設(shè)計規(guī)范，機輪熱設(shè)計流程如圖3所示。

2 壓力卸載原因分析

根據(jù)對機輪結(jié)構(gòu)原理及機輪熱設(shè)計流程的分析，選擇熱熔塞熔化導(dǎo)致剎車機輪胎壓自動卸載為頂事件，按標(biāo)準(zhǔn)要求建立胎壓自動卸載故障樹（如圖4所示）。根據(jù)故障樹確定，排除個別產(chǎn)品質(zhì)量不合格以及飛機非正常使用的特殊原因外，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的主要原因可以歸結(jié)為熱熔塞熔點溫度選擇是否合理以及飛機連續(xù)剎車能力余度是否充足。

2.1 熱熔塞熔點溫度分析

依據(jù)《航空機輪設(shè)計指南》規(guī)定的熱熔塞設(shè)計要求，低熔合金材料熔化溫度的選擇，需保證飛機正常著陸剎車和大動能剎車時熱熔塞不會熔化，但中止起飛剎車時熱熔塞在剎車結(jié)束一段時間后應(yīng)熔化釋放輪胎內(nèi)的氣壓，以保證飛機安全。

圖3 機輪熱設(shè)計流程

圖4 胎壓自動卸載事件故障樹

2.1.1 各種狀態(tài)下的剎車能量計算

根據(jù)該型飛機總體和強度的各項數(shù)據(jù)，按照《HB5648-1981航空機輪和剎車裝置—設(shè)計規(guī)范》計算公式：

其中：A全機—全機(亦即主輪)剎車裝置吸收能量，kg·m；

Gzl—飛機設(shè)計著陸重量，kg；

V—發(fā)動機關(guān)閉后，著陸時飛機失速速度，一般可取，V=Vzl/1.1

Vzl—飛機設(shè)計著陸重量下的著陸速度，km/h；

C—能量系數(shù)，前三點式起落架c=0.00375

1）正常剎車能量（按設(shè)計著陸重量及剎車速度計算）

全機剎車能量：

分配到單個主輪的剎車能量：

比協(xié)議中數(shù)據(jù)（協(xié)議中正常剎車能量為10.02MJ）小1.77MJ

2）大動能(按最大著陸重量，剎車速度)

全機剎車能量：

分配到單個主輪的剎車能量：

比協(xié)議中數(shù)據(jù)（協(xié)議中大動能為12.25MJ）小1.02MJ

3）中止起飛動能

（1）按正常起飛重量，中止起飛速度

全機剎車能量：

分配到單個主輪的剎車能量：

（2）按最大起飛重量，中止起飛剎車速度

全機中止起飛剎車動能

分配到單個主輪的剎車能量：

比協(xié)議數(shù)據(jù)（協(xié)議內(nèi)中止起飛動能為15.6MJ）小0.63MJ

（3）按研制總要求再次出動時間不大于15分鐘，無外掛構(gòu)型，中止起飛速度

全機剎車能量：

分配到單個主輪的剎車能量：

（4）按研制總要求再次出動不大于20分鐘，2個副油箱構(gòu)型，中止起飛速度

全機剎車能量：

分配到單個主輪的剎車能量：

2.1.2 剎車溫度分析

通過對LS-147C盤式剎車機輪進行了剎車性能計算和分析，溫度計算見表1。由于計算溫度是在理想狀態(tài)下得出，與實際應(yīng)用可能有差異，溫度計算表取環(huán)境溫度為50℃（吸收能量為0）。通過“溫度”——“累加吸收能量”對比插值計算，正常剎車和大動能剎車狀態(tài)下剎車盤溫度分別為643℃和742℃，根據(jù)熱熔塞設(shè)計，該溫度下熱熔塞不會出現(xiàn)熔化放氣；最大設(shè)計重量中止起飛狀態(tài)下剎車盤溫度為891℃，熱熔塞能熔化放氣防止輪胎爆胎。

表1 剎車溫度計算

通過對剎車裝置靜盤、輪緣座溫度監(jiān)控，得出剎車裝置一次大動能剎車過程溫度變化曲線（圖5）。

考慮環(huán)境溫度通常不超過70℃，選擇機輪初始溫度60℃進行剎車，剎車過程約20秒，通過機輪溫度曲線可以看出，剎車盤在剎車后1分鐘內(nèi)溫度達到最高約740℃，然后逐漸降低，15分鐘后下降到約450℃，20分鐘后降到約400℃；由于剎車盤和機輪間有隔熱裝置，熱傳導(dǎo)較慢，輪緣溫度（與熱熔塞處溫度相當(dāng)）上升緩慢，每分鐘溫度升高不到10℃，約20分鐘左右達到最高約120℃。

圖5 機輪溫度曲線

2.1.3 熔點溫度分析

在機輪熱設(shè)計流程的框架內(nèi)，結(jié)合上述計算分析的結(jié)果，LS-147C盤式剎車機輪熱熔塞低熔合金材料熔化溫度選擇180℃（圖6）。

2.1.4 試驗結(jié)果

LS-147C盤式剎車機輪按照標(biāo)準(zhǔn)1184A-2010《航空機輪和剎車裝置通用規(guī)范》及《LS-147C盤式剎車機輪鑒定試驗大綱》的規(guī)定，完成了正常著陸剎車、大動能剎車和中止起飛剎車試驗，試驗的剎車力矩滿足協(xié)議規(guī)定。正常著陸剎車、大動能剎車結(jié)束后熱熔塞沒有放氣，中止起飛剎車試驗結(jié)束后約10分鐘熱熔塞出現(xiàn)放氣，試驗結(jié)果見表2。

2.2 飛機連續(xù)剎車能力分析

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1184A-2010中連續(xù)剎車試驗規(guī)定：如果飛機有連續(xù)剎車功能要求，應(yīng)進行專門的剎車動力矩試驗，以正常著陸剎車條件進行二次動力矩試驗，兩次試驗的時間間隔由相關(guān)詳細規(guī)范規(guī)定，第一次剎車后自然冷卻，第二次剎車后應(yīng)進行人工強制冷卻。試驗后機輪和剎車裝置不應(yīng)有任何零件損壞或性能降低。標(biāo)準(zhǔn)1184-91中規(guī)定：中止起飛或往返剎車試驗（連續(xù)剎車）后至少1分鐘內(nèi)熱熔塞不應(yīng)放氣。剎車完成后，通過熱傳導(dǎo)，輪轂熱熔塞安裝部位在剎車10～15分鐘后達到最高溫度；中止起飛后機輪允許有不影響剎車過程完成和安全的局部損壞。

2.2.1 再次出動正常連續(xù)剎車能力

按照標(biāo)準(zhǔn)1184A-2010《航空機輪和剎車裝置通用規(guī)范》要求，連續(xù)剎車試驗是在正常著陸剎車條件下進行兩次剎車，期間間隔15分鐘（按協(xié)議規(guī)定的再次出動時間），LS-147C盤式剎車機輪按此要求完成了連續(xù)剎車試驗，連續(xù)剎車后，減速率為3.902m/s2，兩次靜力矩為（8079.4～7901）N·m，兩次剎車的剎車力矩滿足協(xié)議規(guī)定，連續(xù)剎車試驗期間和剎車結(jié)束后，熱熔塞均沒有熔化放氣，機輪無損壞，LS-147C盤式剎車機輪連續(xù)剎車能力滿足標(biāo)準(zhǔn)1184A-2010規(guī)定。

圖6 確定熱熔塞熔點溫度流程

表2 剎車性能試驗結(jié)果

2.2.2 再次出動中止起飛剎車能力

1）15分鐘后再次出動中止起飛

無外掛構(gòu)型下中止起飛動能為8.37MJ，小于技術(shù)協(xié)議中正常著陸剎車動能（10.02MJ），LS-147C盤式剎車機輪通過了15分鐘連續(xù)剎車要求（剎車動能10.02MJ），即能滿足15分鐘再次出動中止起飛剎車要求。

2）最大著陸重量剎車20分鐘后再次出動中止起飛

該型飛機最大著陸重量下剎車大動能11.23MJ，剎車后剎車盤溫度最高約700℃，20分鐘后剎車盤溫度下降到約360℃，此時輪緣溫度約120℃。此時再按掛2個副油箱構(gòu)型中止起飛，中止起飛動能為12.11MJ，根據(jù)剎車溫度計算表（剎車盤溫度從350℃升高到950℃能吸收能量超過12.7MJ），剎車盤溫度達到約950℃（剎車盤最高能承受超過1200℃），剎車裝置能滿足使用要求。此時機輪輪緣溫度在120℃的基礎(chǔ)上升高，當(dāng)熱熔塞處溫度超過180℃時將出現(xiàn)放氣，但剎車過程不超過1分鐘，機輪輪緣溫度每分鐘升高不到10℃，將在數(shù)分鐘后達到放氣溫度，能確保飛機安全剎停在跑道上。故LS-147C盤式剎車機輪能滿足最大著陸重量下剎車后20分鐘掛2個副油箱中止起飛剎車要求。

3 解決方案

通過對故障樹中主要原因的分析，可以排除因熱熔塞熔點溫度選擇不合理以及飛機連續(xù)剎車能力不足而造成頂事件發(fā)生的可能，進一步結(jié)合飛機試驗飛行中的故障數(shù)據(jù)分析，可以提出下述解決方案。

1）連續(xù)剎車后人工冷卻要求

相較國內(nèi)其他機型碳剎車主機輪連續(xù)剎車間隔時間多在30至40分鐘的現(xiàn)狀，該型飛機連續(xù)剎車間隔時間較短，要求比其它機型配套機輪嚴(yán)酷，在外場連續(xù)滑行剎車，未進行冷卻等特殊情況下，溫度積累后可能會出現(xiàn)胎壓自動卸載。為了防止LS-147C盤式剎車機輪熱熔塞溫度積累過高而熔化，要求在機輪連續(xù)剎車情況下，對機輪和剎車裝置進行人工冷卻，飛機再次出動前，輪轂胎腳溫度應(yīng)不高于100℃，以保證機輪不出現(xiàn)胎壓自動卸載問題。

在空、地勤及試飛手冊增加機輪維護檢查內(nèi)容：地面連續(xù)中、高速滑行剎車間隔時間不小于20分鐘，當(dāng)?shù)孛孢B續(xù)滑行剎車結(jié)束后，應(yīng)注意檢測機輪輪轂的溫度，若點測溫計測得溫度超過100℃則必須用冷氣將機輪和剎車裝置冷卻，待冷卻后再進行下次滑行或起飛。飛機正常著陸條件下著陸剎車15分鐘后允許再次起飛，但兩次剎車間隔時間不得小于30分鐘，且在第二次剎車后必須對機輪和剎車裝置強制進行人工冷卻，使機輪輪轂胎腳溫度低于100℃。強制冷卻應(yīng)采取給機輪和剎車裝置吹冷風(fēng)或氮氣的方法進行，禁止?jié)菜鋮s。

2）液壓系統(tǒng)油液污染控制

根據(jù)試驗飛行中剎車系統(tǒng)故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)生的四起胎壓自動卸載問題中，有兩次是由于剎車活塞的回力彈簧卡滯導(dǎo)致機輪帶剎車滑行，引起剎車能量過大、輪轂溫度過高而使熱熔塞熔化所致。外場對故障件分解后發(fā)現(xiàn)，存在因液壓油液污染度超標(biāo)引起的活塞內(nèi)部卡滯的可能，在排除因活塞本身以及回力彈簧產(chǎn)品質(zhì)量原因?qū)е聠栴}發(fā)生的可能后，確定活塞內(nèi)壁的劃痕是回力彈簧回不到位的主要原因。因此，在預(yù)防解決胎壓自動卸載問題的措施中，控制油液污染是必不可少的一環(huán)。

3）熱熔塞產(chǎn)品質(zhì)量控制

熱熔塞由金屬殼體和低熔合金材料組成，其中低熔點合金的材料特性是熱熔塞工作原理的支撐，因此，材料品性、加工工藝、制造精度以及裝配質(zhì)量都直接影響到熱熔塞產(chǎn)品質(zhì)量。在試驗飛行故障統(tǒng)計中也確有因熱熔塞產(chǎn)品質(zhì)量原因?qū)е碌奶鹤詣有遁d問題，故保證可靠穩(wěn)定的熱熔塞產(chǎn)品質(zhì)量也是有效解決胎壓自動卸載的措施之一。

4 結(jié)論

1）LS-147C盤式剎車機輪碳熱庫設(shè)計能滿足技術(shù)協(xié)議規(guī)定條件下各種模式的剎車要求。

2）LS-147C盤式剎車機輪熱熔塞設(shè)計和選擇的溫度，在規(guī)范規(guī)定的正常、大動能剎車條件下，熱熔塞不會出現(xiàn)放氣；按規(guī)范規(guī)定中止起飛剎車熱熔塞出現(xiàn)放氣，可以防止機輪爆胎，性能滿足要求，能夠保證飛機安全。

3）LS-147C盤式剎車機輪連續(xù)剎車試驗符合標(biāo)準(zhǔn)1184A-2010《航空機輪和剎車裝置通用規(guī)范》規(guī)定，間隔時間按照技術(shù)協(xié)議規(guī)定的飛機再次出動時間要求，試驗過程中和試驗后熱熔塞未放氣，同時，減速率性能滿足要求，LS-147C盤式剎車機輪連續(xù)剎車能力滿足標(biāo)準(zhǔn)1184A-2010規(guī)定和研制總要求的再次出動要求。

4）該型飛機主機輪LS-147C經(jīng)過外場試飛驗證，其性能滿足飛機在不同狀態(tài)下的各項使用要求。

[1]《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊·第14冊：起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計.北京：航空工業(yè)出版社，2002.

>>>作者簡介

徐俊仕，男，1979年出生，2000年畢業(yè)于沈陽航空工業(yè)學(xué)院，工程師，現(xiàn)從事航空裝備質(zhì)量管理工作。

Analysis and Solution on Self Relief of Tyre Pressure

Xu Junshi,Jiang Jiandong,Liu Sifei,Liu Hao
(Military Representative Office in Factory 320,Nanchang,Jiangxi,330024)

For the problem of self relief of tyre pressure,the study on structure and principle of wheel and thermofusible plug has been conducted,analyzing the thermal design flow chart of wheel and establishing failure tree of self-relief of tyre pressure,determining the root cause of the problem and conducting calculation and analysis, and then giving a conclusion and solution by combining the statistical failure data in the flight test,which can be used as reference for subsequent tests of the aircraft.

A/C brake system;self-relief;failure analysis

2015-12-08）